Расщепление воды на водород и кислород для производства экологически чистой энергии можно упростить с помощью одного катализатора, разработанного учеными из Университета Райса и Университета Хьюстона.
Электролитическая пленка, произведенная в Райсе и испытанная в Хьюстоне, представляет собой трехслойную структуру из никеля, графена и соединения железа, марганца и фосфора. Вспененный никель придает пленке большую поверхность, проводящий графен защищает никель от разрушения, а фосфид металла осуществляет реакцию.
Прочный материал является предметом статьи в журнале Nano Energy.
Химик-рисовщик Кентон Уитмайр и хьюстонский инженер-электрик и компьютерщик Джиминг Бао и их лаборатории разработали пленку для преодоления барьеров, которые обычно делают катализатор пригодным для производства либо кислорода, либо водорода, но не того и другого одновременно.
«Обычные металлы иногда окисляются во время катализа», - сказал Уитмайр. «Обычно реакция выделения водорода происходит в кислоте, а реакция выделения кислорода - в щелочи. У нас есть один материал, который стабилен как в кислом, так и в щелочном растворе».
Открытие основано на создании исследователями простого катализатора выделения кислорода, обнаруженного ранее в этом году. В этой работе команда вырастила катализатор непосредственно на массиве полупроводниковых наностержней, который превращал солнечный свет в энергию для расщепления солнечной воды.
Электрокатализ требует двух катализаторов, катода и анода. При помещении в воду и зарядке на одном электроде образуется водород, а на другом кислород, и эти газы улавливаются. Но процесс, как правило, требует дорогостоящих металлов, чтобы работать так же эффективно, как катализатор команды Райса.
«Стандартом выделения водорода является платина», - сказал Уитмайр. «Мы используем распространенные на Земле материалы - железо, марганец и фосфор - в отличие от благородных металлов, которые намного дороже».
Новый катализатор также требует меньше энергии, сказал Уитмайр. «Если вы хотите производить водород и кислород, вы должны вкладывать энергию, и чем больше вы вкладываете, тем менее рентабельным это становится», - сказал он. «Вы хотите сделать это с минимально возможным количеством энергии. Это преимущество нашего материала: перенапряжение (количество энергии, необходимое для запуска электрокатализа) невелико и вполне конкурентоспособно с другими материалами. тем ближе вы подходите к тому, чтобы сделать его максимально эффективным для разделения воды».
Графен, форма углерода толщиной в атом, является ключом к защите основного никеля. На никелевой пене в печи химического осаждения из паровой фазы (CVD) формируют от одного до трех слоев графена, а поверх этого добавляют железо, марганец и фосфор, также с помощью CVD и из одного прекурсора..
Испытания, проведенные в лаборатории Бао, сравнили никелевую пену и фосфид как с графеном в середине, так и без него, и обнаружили, что проводящий графен снижает сопротивление переносу заряда как для водородных, так и для кислородных реакций.
«Никель - один из лучших катализаторов для производства графена», - сказал соавтор Десмонд Шиппер, аспирант Райса. «По сути, мы используем никель, чтобы улучшить качество никеля». Он сказал, что марганец также добавляет уровень защиты.
Уитмайр сказал, что материал является масштабируемым и должен найти применение в отраслях, производящих водород и кислород, или на объектах, работающих на солнечной и ветровой энергии, которые могут использовать электрокатализ для хранения энергии в непиковые периоды.
Он также может быть адаптирован для производства других передовых материалов. «Наш метод может быть широко применим к большому количеству фосфидных материалов для катализаторов - не только для расщепления воды, но и для ряда других целей», - сказал он.
Критическим фактором является то, что мы можем производить фазово-чистые материалы с различным составом. В настоящее время люди очень мало контролируют фазу, которую они получают на поверхности, и во многих случаях они получают смесь. Когда это происходит, они не знают, какая фаза на самом деле отвечает за катализ. С нашим процессом они могут это знать».